Équation dans C, module, argument et ensembles de points
Idée directrice
Forme attestée en 2018 session contrôle, exercice 4 (mode equation_complexe) : résoudre (E) dans C, puis interpréter un quotient d'affixes via module et argument (ensembles de points). Pas une reconnaissance de similitude / rotation (cela irait en S).
Ce qui aide à reconnaître la démarche
« Résoudre dans C l'équation (E):z2−(1+i)z−i=0 »
« Écrire z1 sous forme exponentielle »
« Z=z−1z+i ; ∣Z∣=1 ; ensemble des points M »
« Interpréter arg(Z) »
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Équation du second degré : discriminant dans C, racines carrées de complexes.
Module-argument : ∣reiθ∣=r, arg(reiθ)≡θ.
∣z−a∣=∣z−b∣ : médiatrice de [A,B].
argz−bz−a : angle de vecteurs.
Les pièges à vérifier dans ta démarche
Prendre une mauvaise racine carrée de 6i. Confondre ∣Z∣=1 avec un cercle de centre A ou B au lieu de la médiatrice. Glisser vers « z↦az+b est une rotation » alors que l'énoncé ne le demande pas.
EX
Sujet principal
Exercice — équation complexe et lieu (esprit 2018 contrôle, ex.4)
5 questionsFigure fournieCorrigé masqué
Énoncé
On considère, dans C, l'équation (E):z2−(1+i)z−i=0.
Résoudre dans C l'équation (E). On note z1 et z2 les solutions.
Écrire z1 sous forme exponentielle : déterminer le module ∣z1∣ et un argumentarg(z1).
Soit A et B les points d'affixes respectives 1 et −i. Pour z∈C distinct de 1 et de −i, on pose Z=z−1z+i.
Montrer que ∣Z∣=1 si et seulement si le point M d'affixe z appartient à un ensemble de points que l'on déterminera.
Interpréter géométriquement arg(Z) en termes d'angle (AM,BM).
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
1.Idée : discriminant, puis une racine carrée complexe de Δ.Δ=(1+i)2+4i=2i+4i=6i. Comme (1+i)2=2i, on a (3(1+i))2=3×2i=6i : δ=3(1+i) est une racine carrée de Δ. D'où
z1=2(1+i)+3(1+i)=21+3(1+i),z2=21−3(1+i)
2.Idée : z1 est un réel positif fois 1+i.∣z1∣=21+3∣1+i∣=2(1+3)2 et argz1≡arg(1+i)≡4π(mod2π) (le facteur réel est strictement positif). Ainsi z1=2(1+3)2eiπ/4.
3–4.Idée : un module de quotient est un rapport de distances.∣Z∣=∣z−1∣∣z+i∣=∣z−zA∣∣z−zB∣=MAMB. Donc ∣Z∣=1⟺MA=MB⟺M appartient à la médiatrice de [AB]. Avec A(1;0) et B(0;−1) : (x−1)2+y2=x2+(y+1)2⟺x+y=0. Ni A ni B n'est sur cette droite, aucun point n'est à exclure :
{M:∣Z∣=1}=la droite d’eˊquation x+y=0(meˊdiatrice de [AB])
5.Idée : l'argument d'un quotient z−zAz−zB est l'angle orienté en M.Z=z−zAz−zB, donc pour M=A,B : argZ≡(MA,MB)(mod2π). En particulier Z réel ⟺A, B, M alignés (M sur la droite (AB) privée de A et B) et Z imaginaire pur ⟺M sur le cercle de diamètre [AB] privé de A et B.
Changer d’énoncé, garder le raisonnement
Choisis un seul transfert après le sujet principal. Qu’est-ce qui change ? Quel résultat ou quelle méthode peux-tu réutiliser ? Les autres exercices restent disponibles pour une prochaine séance.
Exercices d'entraînement — une nuance à la fois
1Drill C-A.1 — module et argument d'une solution
01
Entraînement 01 / 04
Drill C-A.1 — module et argument d'une solution
3 questionsCorrigé masqué
Énoncé
On admet que z1=2(1+3)(1+i) est une solution de (E):z2−(1+i)z−i=0.
Calculer le module ∣z1∣.
Déterminer un argument de z1.
En déduire l'écriture de z1 sous forme exponentielle.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
1. On a z1=21+3⋅(1+i). Or ∣1+i∣=2, d'où ∣z1∣=21+32.
2.arg(1+i)≡4π(mod2π) et 21+3>0, donc arg(z1)≡4π(mod2π).
3. Conclusion : z1=2(1+3)2eiπ/4.
2Drill C-A.2 — équation à paramètre mz2−(m2+i)z+im=0 : discriminant carré, racines m et mi
02
Entraînement 02 / 04
Drill C-A.2 — équation à paramètre mz2−(m2+i)z+im=0 : discriminant carré, racines m et mi
3 questionsCorrigé masqué
Énoncé
Soit m un nombre complexe non nul. On considère dans C l'équation (Em):mz2−(m2+i)z+im=0.
Montrer que le discriminant de (Em) est (m2−i)2 et résoudre (Em).
On pose m=2eiθ avec θ∈]0,π[. Écrire les solutions sous forme exponentielle.
Le plan est rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v). Soit M1 et M2 les points d'affixes respectives z1=m et z2=mi, et N le point d'affixe iz2 (symétrique de M2 par rapport à la droite d'équation y=x). Montrer que OM1×OM2=1 et que les points O, M1 et N sont alignés.
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1.Δ=(m2+i)2−4m(im)=(m2+i)2−4im2=(m2−i)2 (identité (a+b)2−4ab=(a−b)2 avec a=m2, b=i). Les solutions sont 2mm2+i±(m2−i), soit z1=m et z2=mi (si m2=i, racine double m=mi).
2.z1=2eiθ et z2=2eiθei2π=22ei(2π−θ).
3.OM1×OM2=2×22=1. Idée : comparer les arguments.z2=22ei(θ−2π), donc iz2=22eiθ=21z1 : N est le milieu de [OM1], et O, M1, N sont alignés.
3Drill C-A.3 — équation du troisième degré à coefficients complexes : racine 2i vérifiée, b et c par identification
03
Entraînement 03 / 04
Drill C-A.3 — équation du troisième degré à coefficients complexes : racine 2i vérifiée, b et c par identification
3 questionsCorrigé masqué
Énoncé
On considère, dans C, l'équation (E1):z2−(4+6i)z−2+16i=0 et l'équation (E2):P(z)=0, où P est le polynôme défini pour tout nombre complexe z par :
P(z)=z3−(4+8i)z2+(−14+24i)z+32+4i
On s'intéresse à l'équation (E1).
Vérifier que (2−4i)2=−12−16i.
Résoudre dans C l'équation (E1).
On s'intéresse à l'équation (E2).
Vérifier que 2i est une solution de (E2).
Déterminer les nombres complexes b et c tels que, pour tout nombre complexe z, P(z)=(z−2i)(z2+bz+c).
Résoudre alors dans C l'équation (E2).
Dans le plan complexe rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v), on considère les points A, B et C d'affixes respectives zA=2i, zB=3+i et zC=1+5i.
Placer les points A, B et C.
Calculer zB−zAzC−zA. En déduire que le triangle ABC est rectangle et isocèle en A.
Déterminer l'affixe du point D tel que le quadrilatère ABDC soit un carré.
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1.a En développant : (2−4i)2=4−16i+16i2=4−16i−16=−12−16i.
1.bIdée : le discriminant de (E1) est justement le nombre dont on vient de fournir une racine carrée. Avec (4+6i)2=16+48i−36=−20+48i, le discriminant vaut Δ=(4+6i)2−4(−2+16i), soit
Δ=−20+48i+8−64i=−12−16i=(2−4i)2.
Les solutions de (E1) sont donc
z1=24+6i+(2−4i)=3+i,
z2=24+6i−(2−4i)=1+5i.
Ainsi S1={3+i;1+5i}.
2.a On a (2i)3=−8i et (2i)2=−4, d'où −(4+8i)(2i)2=16+32i et (−14+24i)(2i)=−48−28i. Par suite
P(2i)=−8i+16+32i−48−28i+32+4i=0,
donc 2i est une solution de (E2).
2.bIdée : développer le produit puis identifier les coefficients de même degré ; le coefficient de z2 et le terme constant suffisent, celui de z sert de contrôle. Pour tout z :
(z−2i)(z2+bz+c)=z3+(b−2i)z2+(c−2ib)z−2ic.
En identifiant avec P(z) : b−2i=−4−8i, d'où b=−4−6i ; et −2ic=32+4i, d'où c=−2i32+4i=2(32+4i)i=−2+16i. Contrôle sur le coefficient de z : c−2ib=−2+16i+8i−12=−14+24i, ce qui est bien le coefficient de z dans P(z). Donc b=−4−6ietc=−2+16i.
2.cIdée : le facteur du second degré obtenu est exactement le premier membre de (E1). D'après 2.b, P(z)=(z−2i)(z2−(4+6i)z−2+16i), donc P(z)=0 si et seulement si z=2i ou z est solution de (E1). D'après 1.b : S2={2i;3+i;1+5i}.
3.a On place A(0;2), B(3;1) et C(1;5).
3.bIdée : le module du quotient compare AC et AB, son argument donne l'angle (AB,AC). On a zB−zA=3−i et zC−zA=1+3i=i(3−i), donc zB−zAzC−zA=i. Comme ∣i∣=1, AC=AB ; comme arg(i)≡2π(mod2π), (AB,AC)≡2π(mod2π). Le triangle ABC est donc rectangle et isocèle en A.
3.cIdée : ABDC est un carré dès que c'est un parallélogramme, puisqu'il a alors un angle droit en A et deux côtés consécutifs AB et AC de même longueur.ABDC est un parallélogramme si et seulement si BD=AC, c'est-à-dire zD−zB=zC−zA, soit zD=3+i+1+3i. D'où zD=4+4i, et d'après 3.b ce parallélogramme est un carré.
4Drill C-A.4 — factorisation fournie de z3+27i : trois racines de module 3 et triangle équilatéral inscrit dans un cercle
04
Entraînement 04 / 04
Drill C-A.4 — factorisation fournie de z3+27i : trois racines de module 3 et triangle équilatéral inscrit dans un cercle
3 questionsCorrigé masqué
Énoncé
Résoudre dans C l'équation z2+3iz−9=0.
On considère dans C l'équation (E):z3+27i=0.
Vérifier que, pour tout nombre complexe z, z3+27i=(z−3i)(z2+3iz−9).
Résoudre alors dans C l'équation (E).
En déduire les solutions dans C de l'équation z3=27i.
Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé direct (O,u,v). On considère les points A, B et D d'affixes respectives zA=3i, zB=233−23i et zD=−233−23i, et on désigne par (Γ) le cercle de centre O passant par A.
Montrer que les points B et D appartiennent au cercle (Γ).
Écrire zB et zD sous forme exponentielle.
Soit A′ le point d'affixe −3i. Montrer que B et D appartiennent à la médiatrice du segment [OA′]. En déduire une construction des points B et D.
Montrer que le triangle ABD est équilatéral.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
1.Idée : les coefficients sont complexes, mais le discriminant peut être réel ; on le calcule avant de chercher une racine carrée.Δ=(3i)2−4×1×(−9)=−9+36=27=(33)2. Les solutions sont
z′=2−3i+33etz′′=2−3i−33,
soit S={233−23i;−233−23i}.
2.a En développant, avec −3i×3iz=9z et −3i×(−9)=27i :
(z−3i)(z2+3iz−9)=z3+3iz2−9z−3iz2+9z+27i=z3+27i.
2.b D'après 2.a, z3+27i=0 si et seulement si z=3i ou z2+3iz−9=0. D'après 1. :
SE={3i;z′;z′′}
avec z′=233−23i et z′′=−233−23i.
2.cIdée : passer à l'opposé, car (−z)3=−z3.z3=27i⟺(−z)3=−27i⟺(−z)3+27i=0⟺−z∈SE. Les solutions de z3=27i sont donc les opposées des solutions de (E) :
{−3i;−233+23i;233+23i}
3.a Le rayon de (Γ) est OA=∣3i∣=3. On a ∣zB∣2=427+49=9, donc OB=3 ; de même ∣zD∣2=427+49=9, donc OD=3. Ainsi OB=OD=OA : les points B et D appartiennent à (Γ).
3.bIdée : on factorise le module 3 et on reconnaît un cosinus et un sinus usuels.
zB=3(23−21i)=3e−i6π,
zD=3(−23−21i)=3e−i65π.
Donc zB=3e−i6πetzD=3e−i65π.
3.cIdée : B et D ont la même partie imaginaire −23, moitié de celle de A′. Les points O(0;0) et A′(0;−3) sont sur l'axe (O,v) ; la médiatrice de [OA′] est la droite perpendiculaire à cet axe passant par le milieu (0;−23) de [OA′], c'est-à-dire la droite d'équation y=−23. Comme Im(zB)=Im(zD)=−23, B et D appartiennent à cette médiatrice.
Construction : A′ est le point de (Γ) diamétralement opposé à A (car −3i=−zA). On trace la médiatrice de [OA′] ; une droite coupe un cercle en au plus deux points, et B et D sont à la fois sur (Γ) (3.a) et sur cette médiatrice : ce sont donc ses deux points d'intersection avec (Γ), B celui d'abscisse positive et D celui d'abscisse négative.
3.dIdée : calculer les trois longueurs à partir des affixes. On a zB−zA=233−29i, donc
AB=427+481=2108=33.
De même zD−zA=−233−29i donne AD=33, et zB−zD=33 donne BD=33. Ainsi AB=AD=BD : le triangle ABD est équilatéral.
Relier ce raisonnement au bac
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